攪拌摩擦焊在汽車用6061鋁合金的應用及研究

鹽城工業職業技術學院 王淼

攪拌摩擦焊在汽車用6061鋁合金的應用及研究

鹽城工業職業技術學院 王淼

利用攪拌摩擦焊（FSW）成功地對汽車用6061鋁合金進行了焊接，焊后通過金相顯微鏡、維氏硬度試驗、拉伸試驗研究了焊接接頭的微觀組織與力學性能。結果表明：焊核區晶粒明顯細化，接頭力學性能良好。

攪拌摩擦焊；6061鋁合金；組織；力學性能

1 引言

當今我國的汽車工業發展迅猛，汽車生產量和保有量急劇上漲，能源緊缺和環境問題日益嚴重。為此，汽車車身上開始大量采用輕量化的鋁合金材料[1]。6061鋁合金力學性能好，成型性好，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐腐蝕性，因此6061鋁合金成為實現汽車輕量化的理想材料。新能源汽車在底盤、車身上的拼接型材均大量采用6061鋁合金這種輕量化材料[2-4]。而傳統的TIG、MIG等融化焊接易產生孔洞、裂紋等焊接缺陷，且接頭力學性能經常不能滿足車身力學要求。攪拌摩擦焊接是一種固相焊接技術，它是通過攪拌頭的高速旋轉，使焊接工件產生摩擦熱和形變熱，從而使連接部位的材料升溫軟化，同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接的，其焊縫沒有凝固組織，不產生與材料熔化相關的缺陷，焊接應力或變形很小。本文對6061鋁合金的母材及其攪拌摩擦焊接頭的組織和力學性能進行分析，為后續汽車的碰撞實驗提供理論依據。

2 焊接材料與實驗方法

實驗用母材為6082-T6(固溶+人工時效）鋁合金軋制板材，尺寸為200×100×4 mm。焊接設備是FSW-3LM-002型攪拌摩擦焊機，攪拌頭軸肩直徑16 mm，攪拌針直徑4 mm、長3.8 mm。焊接旋轉速度為1000 r/min，行進速度為100mm/min，軸肩壓入工件表面深度為0.1 mm。

FSW試樣經線切割后，垂直于焊接方向截取20×8×4 mm的金相試樣，磨平拋光后，經keller試劑侵蝕后，在金相顯微鏡下進行觀察。從焊縫橫截面的中心線起，向兩邊每隔l mm處測試一點顯微硬度。所用顯微硬度計為HV-1000型，載荷為1N，加載時間15s。拉伸試樣是垂直于焊縫方向上切割選取，拉伸實驗在WDW-10型萬能試驗機上進行，拉伸速率為0.2 mm/s，載荷為10kN，拉伸試樣尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣的示意圖

3 實驗結果與分析

3.1 金相組織

圖2（a）為軋制6082-T6鋁合金母材的金相組織，其晶粒組織沿著軋制方向呈明顯的長條狀結構，晶粒尺寸較大，晶內有大量的析出相呈彌散分布。圖2（b）為攪拌摩擦焊縫焊核區（NZ）的金相組織，因焊核區直接受到攪拌針的機械攪拌作用，焊核區發生動態再結晶，晶粒明顯細化，呈細小的等軸晶組織，焊核區晶粒尺寸小于10μm。

圖2 金相組織

3.2 硬度

圖3所攪拌摩擦焊接接頭顯微硬度分布。焊接前的硬度值為103HV，接頭截面硬度呈“W”形分布，焊核區發生一定的軟化現象，其硬度值在60～75HV波動，而熱機械影響區的硬度值最低。兩側的熱影響區硬度值高于焊核區卻低于加工前硬度，且遠離焊核區的硬度值越接近焊接前的硬度值。

圖3 FSW接頭顯微硬度分布

3.3 拉伸性能

表1為6082－T6鋁合金母材及其攪拌摩擦焊接頭拉伸試件相應的力學性能參數。攪拌摩擦焊縫的強度較母材有一定降低；其屈服強度為母材的78%，抗拉強度為母材的66%。攪拌摩擦焊接強度總體能夠滿足鋁合金結構車身對力學性能的要求。

表1 拉伸試樣力學性能參數

4 小結

采用攪拌摩擦焊接成功地對汽車6082-T6鋁合金進行了固相焊接，焊核區硬度值在65～75HV波動，焊接接頭試樣的屈服強度和抗拉強度分別為母材的78%和66%；攪拌摩擦焊接強度總體能夠滿足鋁合金結構車身的力學性能要求，實現了國產新能源汽車輕量化的目標。

[1]Miller W S,Zhuang L,Bottema J,et al.Recent development in aluminium alloys for the automotive industry[J]. Materials Science and Engineering：A,2000,280(1)：37-49.

[2]Arora KS, Pandey S, Schaper M, Kumar R. Microstructure evolution during friction stir welding of aluminum alloy AA2219.J Mater Sci Technol 2010,26：747-53.

[3]AA 6082-T6 friction stir welded butt joints.ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences 3 October(5).

[4]邱宇,郭曉娟,李光等.5083鋁合金的攪拌摩擦焊研究[J].電焊機,2014,44(4)：58-61.

王淼，1990年出生，江蘇鹽城人，碩士，助教，研究方向：鋁合金材料熱加工。